地球物理测井技术在煤矿岩体工程勘察中的应用

 介绍当前地球物理测井技术在煤矿岩体工程勘察领域的应用现状,剖析GSR的基本原理和分析方法,指出GSR是以声波测井数据为基础,并从地质力学的角度考虑各种因素(如矿层、裂隙等)对波速的影响;强调GSR不是要评估岩体的强度,相反,它是提供一种对岩体性质进行定量、综合的评估方法。使用的测井类型分别为声波测井、伽玛测井和密度测井。工程实践表明,地球物理测井方法在识别岩体内部的性质及变化规律方面,有其自身的优势,尤其是在软岩区域圈定、关键层识别、底板突水危险区勘察方面,具有直观、定量表述的优越之处;GSR与单轴抗压强度的对比结果证明,“单一岩体强度指标反映岩体性质”有一定的局限性,GSR的结果更符合现场情况;三维地震勘探与GSR的耦合分析方法,为对钻孔之间的“盲区”探查提供了有益的帮助,是原位探测隔水关键层的有效方法。最后提出基于地球物理技术的“矿山岩体性质原位研究”的基本思路,即利用测井技术对矿山岩体性质进行开采前的三维“静态定量”描述;借助于微震、电磁辐射等监测技术,在煤矿开采过程中对岩体破坏规律的三维“动态定量”描述。     

深部矿区煤岩体强度测试与分析

 基于钻孔触探法原理,开发出小孔径井下煤岩体强度测定装置。在实验室对34个煤岩样品进行试验：在煤岩块上钻取标准试件,测量单轴抗压强度;在留下的钻孔中,用煤岩体强度测定装置测定探针临界载荷,分析探针破坏钻孔壁煤岩的形态;然后确定煤岩块单轴抗压强度与探针临界载荷的关系。试验表明,探针破坏钻孔壁煤岩的形状、深度及范围与煤岩性质密切相关。煤岩体强度越高,破坏范围、侵入深度越小,破坏形状越规则。结合井下实测数据,回归得出描述探针临界载荷与煤岩体单轴抗压强度关系的公式。同时,分析临界载荷的离散性及控制措施,讨论结构面对煤岩体强度的影响及测试分析方法,并在典型的深部矿区——新汶矿区进行井下原位测试。新汶矿区巷道顶板不同岩性的岩层强度相差很大,不同矿井的岩层强度也存在明显差别。煤层强度由于煤帮出现破碎区、煤层性质不均匀、煤层结构面分布不均匀等原因变化较大,出现明显的波动。基于井下煤岩体强度实测数据的巷道支护设计,符合井下环境中的煤岩体条件,设计的合理性与可靠性显著提高,巷道围岩稳定性与支护状况得到明显改善。最后分析钻孔触探法存在的问题,并提出改进建议。     

采煤面覆岩变形与破坏立体电法动态测试

 采用立体直流电法,通过在井下巷道中煤层顶底板位置施工若干钻孔,在孔中埋置一定数量电极,形成孔间探测剖面,并根据采动进度测取不同时期岩层电场变化特征,进一步反演其三维立体电阻率值,可对上覆岩层受采动超前影响至后期变化规律进行全面的分析研究,为煤矿安全生产提供直观有效的技术参数。淮南某矿采面覆岩破坏顶底板跨孔立体电法测试应用中,共获得28组连续观测数据,对采动应力超前及顶板岩层变形与破坏裂隙发育特征给出动态分析,所获得的冒落带和裂隙带高度值与“三下”开采规程计算值相吻合。应用结果表明,与传统地面钻孔法及井下其他物探方法相比,该项自主创新技术具有测试成本低廉、结果判定准确、动态效应强等特点,其推广应用价值显著。     

上行开采层间岩层控制的关键位置判定

 针对历史原因或复杂地质条件等导致曾经遗弃的可采煤层上行开采问题,提出上行开采的关键技术是岩层控制,而岩层控制的突破点在于其关键位置的确定。考虑到上行开采层间岩层关键层的结构最终演化为面接触块体结构,并且该结构中的块体强度高、刚度大,块体间摩擦面近似平面,结构面贯穿块体,结构的失稳源于块体沿着接触面的剪切滑移,故借鉴块体理论的思想,用矢量分析法建立上行开采层间岩层关键层结构中块体的参量矩阵并计算相应的判别矩阵,判定层间岩层关键层结构的可动块体,进而通过虚设切向“净滑动力”的方法探索上行开采层间岩层控制关键位置的具体判定方法,为上行开采层间岩层结构以及上行开采技术体系的进一步深入研究奠定理论基础。     

煤与瓦斯突出模拟试验研究

 以自行研制开发的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统为手段,对其可靠性进行试验验证,并对不同含水率煤体发生煤与瓦斯突出时突出强度变化规律进行模拟试验研究。结果表明：研制开发的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统的模拟试验结果与煤与瓦斯突出事故实际较吻合,且系统可靠性较好;随着含水率的升高,煤体发生煤与瓦斯突出的可能性减小,煤与瓦斯突出强度也呈减小趋势;在试验煤体含水率情况下,含水率与煤与瓦斯突出强度呈二次曲线关系。     

济宁2#煤深部回采巷道变形破坏规律及对策研究

 随着深部地质环境的不断恶化,深部资源开采中重大灾害事故增多,巷道支护出现冒顶、底臌、顶板下沉等破坏现象。以济宁2#煤矿九采区93上06回采巷道为研究对象,通过数值模拟手段再现变形破坏过程,分别对顶板下沉、底臌变形、轴向楔体破坏和沿结构面冒顶4种变形破坏规律进行分析。针对破坏特征,提出巷道支护的优化方案。工程实践表明,通过改变巷道的断面形式、挖掉直接底泥岩和打底角锚杆可以有效地控制巷道的底臌,调整支护参数可以有效控制巷道的顶沉和冒顶。     

蠕变对含瓦斯煤渗透率影响的试验分析

 以重庆市松藻煤电公司石壕矿原煤制备的型煤试样为研究对象,设计含瓦斯试样的三轴蠕变及渗流试验方法和步骤。利用试样瓦斯渗透仪试验装置,在不同温度条件及不同有效应力水平下,对型煤试样进行三轴蠕变及渗透性试验,获得大量蠕变前后不同有效应力和不同温度条件下的渗流试验数据,研究蠕变对试样渗透率的影响规律。研究结果表明：在相同温度与有效应力条件下,蠕变后试样渗透率降低,下降幅度为25.2%～38.7%;在三轴应力条件下,随着有效应力增大和温度升高,蠕变前后试样渗透率逐渐降低,探讨两因素对渗透率的影响机制;定义渗透率损伤率来表示蠕变使得试样渗透率减小的程度,当温度一定时,渗透率损伤率与有效应力符合线性关系,该渗透率损伤率随有效应力增加而增加,且温度越高,增加的速率越大;在不同温度及有效应力耦合作用下,蠕变对渗透率的影响程度不同。研究结果对进一步认识瓦斯运移规律具有一定的意义。     

矿山岩土体导电特性及工程应用研究

硐室围岩的稳定性和冻结法凿井穿越巨厚冲积层时冻结壁温度场的分析这两大问题是当前深部开采井巷工程面临的主要问题.通过对两淮煤田冲积层常见土层和煤系地层常见岩层进行取样,采用试验方法研究两淮煤田主要岩土体的电阻率特性,并结合冻结法凿井、矿井巷道施工的工艺特点,提出电阻率法检测冻结壁温度场的数据采集、数据处理和基于电阻率法的围岩松动圈检测技术.并将研究成果运用到矿井冻结壁温度场和围岩松动圈检测的工程实践,取得了良好的效果.主要研究工作及成果如下:博士学位论文(1) 在高密度电阻率法拟断面的记录点对应深度方面存在着经验性,使其在工程应用方面存在局限性.根据点电场的基本理论,并结合最新的电阻率勘探数据采集技术--并行电法勘探和跨孔地震勘探的特点,提出拟地震式单极--单极跨孔直流电阻率CT技术的数据采集方式,并编制数据处理软件,为电阻率法检测冻结壁提供数据采集与处理方法.(2) 通过对淮南煤田朱集煤矿冲积层主要土层进行取样,首先,将目前土体导电性测试常用装置和高密度电阻率法勘探技术相结合,研究常温下土体电阻率与土性(颗粒级配)、含水量和密度(或密实度)之间的关系,并拟合出不同土体的电阻率与含水量、密度的回归方程;其次,研究冻土电阻率的测试方法,并结合两淮地区的冲积层土层含水量与密度、地温特点和冻结法凿井的冻结盐水温度与冻结壁平均温度设计,研究土体在一定含水量、密度条件下,电阻率与温度的关系.并拟合出相关度较高的不同土体的温度–电阻率(t-ρ)回归方程,这些方程是电阻率法检测冻结壁温度场的基础.(3) 通过对两淮煤田煤系地层主要岩层进行取样,研究岩体的电阻率与应力(或应变)的关系.通过试验发现了取材方便、性能良好的电极与岩石耦合材料--过饱和黏土,拟合出相关度较高的不同岩体的应力–电阻率(σ - ρ)回归方程,这些方程是电阻率法检测硐室围岩稳定状态的基础.(4) 在单极--单极跨孔直流电阻率CT勘探技术研究成果的基础上,提出了电阻率检测冻结法凿井冻结壁温度场的施工工艺、数据采集与数据处理方法,并结合土体导电性试验获得的温度与电阻率的回归方程,分析冻结壁的发展状况.该技术已成功应用于两淮煤田冻结法凿井冻结壁温度场分析的工程实践.(5) 地下峒室的稳定性是矿井安全、高效生产的重要因素,为了确保地下峒室的稳定性,必须采用经济、合理的支护方式.基于围岩松动圈范围的大小及其空间分布规律对选择峒室支护方式的重要性,利用高密度电阻率法勘探的原理并结合地下峒室开挖与支护的施工特点,提出利用锚杆钻机钻孔、锚固剂封闭孔口、简易压力容器注浆封孔、高密度电阻率法采集数据的松动圈测试技术,结合岩石导电性试验获得的应力与电阻率的回归方程,研究硐室开挖与支护后其围岩的变形程度与导电性的关系,分析围岩松动圈的发展状况.该技术已成功应用于两淮矿井巷道围岩松动圈测试的工程实践.     

Research on microseismic activity rules in Sanhejian Coal Mine

By the microseismic (MS) monitoring system of Sanhejian Coal Mine, the detail MS activity rules in the entire mining process of 9202 strong rockburst working face were studied, following main conclusions were obtained. (1) The strong correlation between MS activity and the region stress gradient was revealed. The higher the region stress gradient, the stronger the MS signal is, and the frequency-spectrum moves to lower frequency band, the amplitude begins to add gradually. (2) The different types of MS signals have the corresponding frequency-spectrum character. Such as relieve-shot MS signal shows the wide frequency-spectrum, multi-peak high frequency character, while rockburst omen signal shows the low frequency and amplitude, the mainshock signal has relatively higher frequency and amplitude. (3) To monitor and recognize rockburst dangerous region, the strong consistence between the MS signal intensity and the amplitude of electromagnetic emission (EME) signal and drilling bits measured was observed. On above, the weakening and controlling technology of MS intensity was put forward. Supported by the National Key Project of Scientific and Technical Supporting Programs (2006BAK04B02, 2006BAK03B06)     

基于CALS及Surpac-FLAC3D耦合技术的 复杂空区稳定性分析

 由于受地质条件和探测技术的限制,传统探测方法很难获得复杂空区精确的实际空间分布形状,由此得到的空区用于建立数值分析模型显得过于粗糙,在此基础上进行空区稳定性分析的可靠性程度不高。采用空区激光自动扫描系统(CALS)对复杂空区进行激光扫描,在获得精准三维点云数据的基础上,运用Surpac软件模拟出空区的三维地质模型,通过耦合方法可以在FLAC3D中生成与实际空区空间分布一致的数值模型,提高复杂空区稳定性计算的准确性和可靠性。选取三道庄露天矿的地下空区作为工程实例,利用CALS获得不规则空区的实际空间边界。在此基础上,运用Surpac进行三维块体模拟,研究Surpac与FLAC3D模型耦合技术,成功地将三维模型数据导入FLAC3D中,结合现场实际勘测的围岩力学参数,对空区进行静力计算,分析空区的稳定性。